电缆隧道封堵形态对电缆隧道火灾蔓延影响研究

吴照国，宗鹏飞，田 堃，李林杰

(1.国家电网重庆电力公司电力科学研究院，重庆 401123；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

电缆隧道作为电力长距离传输的主要手段，在现代工业中扮演着重要角色。电缆隧道往往建于地下，环境恶劣[1]。一旦发生火灾，地下封闭空间内温度高、能见度低，扑救困难，扑救人员危险大，且火灾易复燃，损失大[2-3]。

封堵战术是封堵隧道洞口，切断隧道内氧气的补充，使得隧道内的燃烧没有足够的氧气而熄灭[4]，多应用于公路和铁路隧道火灾的扑救。HUANG等[5]通过1：6缩尺试验，研究了考虑车辆堵塞效应时隧道顶棚烟气最高温度预测模型。CHEN等[6]通过1：9试验台，通过试验对比不同封闭比例对隧道内燃烧过程和温度场的影响，得出临界封闭面积、燃料面积与顶棚烟气温度变化之间的关系。YONG等[7]通过1∶15 缩尺试验台，进行非对称封闭下隧道火灾燃烧特性研究，分析了不同封闭比例对隧道火灾的抑制效果。董炳燕等[8]等运用FDS(Fire Dynamics Simulator)软件，模拟全尺寸拱形隧道在不同封闭比例下隧道火灾情况，指出高封闭比例会出现回温现象，并得出不同封闭比例、火源功率条件下的最高温度变化规律。马志欣[9]研究了隧道内阻塞物周围的烟气流速矢量，并分析了涡旋形成的原因和特性。在电缆隧道火灾中，由于隧道截面尺寸和可燃物特性与公路、铁路隧道有较大的不同，对于其封堵后的火灾特性需要研究。

笔者利用美国国家标准和技术研究院开发的计算流体动力学软件FDS，建立电缆隧道模型，模拟分析电缆隧道一个防火分区内火灾在不同封堵形态下的烟气运动、温度分布、CO浓度分布规律。

1 模型建立

FDS采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程，利用FDS模拟得出火灾发生时的各项参数情况，FDS软件的火灾模拟精度与网格密度有关，网格越密，结果越精确[10]，消耗的资源也越多。研究表明，当网格尺寸取火源特征直径的1/10时，模拟结果较为精确[11]。火源特征直径计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Q为火灾热释放功率，kW；ρ∞为空气密度，kg/m3；c∞为空气比热容，kJ/(kg·K)；T∞为环境温度，K；g为重力加速度，m/s2。

实际电缆隧道尺寸如图1所示，据此建立一段长200 m、高2.6 m、宽2.8 m的电缆隧道，网格划分数据见表1。在建模时进行网格独立性分析，如图2所示。当网格尺寸小于0.25 m时，模拟的精确度差别不大，但模拟所用时间大大增加。考虑火焰温度在竖向上的温度变化，应当在竖向上对网格进行加密。综合考虑决定网格尺寸采用0.2 m×0.2 m×0.1 m。结合文献[12]所做FDS模型的网格划分，验证网格尺寸的合理性。模型总网格数为364 000。隧道内部铺设对向的三层电缆，电缆层设计均为长200 m、宽0.9 m、高0.1 m的矩形。底层电缆距离隧道底部0.9 m，每层电缆相距0.6 m。

图1 隧道模型

图2 不同尺寸网格对隧道顶棚下方温度的影响

表1 网格参数

点火源设置在隧道的中部，在实验中取火源(小立方体0.1 m×0.1 m×0.1 m)，热释放功率为1 500 kW/m2。点火源用于引燃电缆，点火源在持续燃烧300 s后熄灭，火灾在电缆上自然蔓延。在电缆隧道模型中建立对向的三层电缆，并在隧道顶棚下方和三层电缆上方设置温度测点。测点具体布置如图3所示，在隧道0～90 m和110～200 m的范围内，每个热电偶间距5 m。由于点火源位于隧道的中部，所以温度的变化在中部比较剧烈，所以在90～110 m设置较多较密集的热电偶来观测温度的变化，热电偶间隔2 m。

图3 隧道温度测点布置

模拟实验共设计5种工况，分别是端口无封堵、封堵3/4、封堵1/2、封堵1/4、封堵1/8。无封堵模型示意图如图4所示，其他工况都是在此基础上按比例施加遮挡物。

图4 无封堵工况隧道左视图

2 结果与讨论

2.1 不同封堵情况下烟气蔓延

不同封堵形态下电缆隧道火灾的烟气分布形态如图5所示。无封堵状态下的隧道烟气状态如图5(a)所示，可知在200 s时，烟气已经布满了隧道的顶棚；在随后的400 s模拟时间中，烟气没有向隧道底部蔓延，维持在隧道顶棚。有封堵时的烟气分布状态如图5(b)所示，可知在200 s时，烟气在布满隧道顶棚后开始向隧道底部蔓延；在随后的模拟时间中，烟气自两端口向隧道中部蔓延，最终充满隧道。对比可知，在无封堵时，空气流通流畅，烟气密度较小，只在隧道顶部分布；当隧道两侧存在封堵后，空气流动受阻，烟气较难排出，自两端向隧道底部蔓延，最后遍布隧道。

不同封堵形态工况下烟气充满隧道的时间如表2所示。可知在封堵3/4、封堵1/2、封堵1/4、封堵1/8工况下烟气充满隧道的时间分别为290 s、340 s、360 s、285 s，端口封堵的大小影响隧道中烟气充满的时间，封堵比例越大，隧道内的烟气与隧道外的空气交换越困难，烟气充满隧道的时间越长。

表2 4种工况烟气充满隧道的时间

2.2 不同封堵情况下火蔓延

本次模拟实验点火源燃烧持续时间为300 s，之后点火源熄灭，电缆隧道火灾自然发展。火烟蔓延状态如图6所示。

图6 火焰蔓延状态

电缆隧道两端自然打开时不同时刻的火焰蔓延情况如图6(a)所示，可知火灾开始时，点火源引燃底层的电缆，并在高温的作用下逐渐引燃上层的电缆，然后火灾开始向隧道两端蔓延，上层电缆火灾蔓延的速度明显大于底层电缆隧道火灾蔓延的速度。并且在点火源熄灭之后，火灾蔓延的范围继续增大。燃烧生成的火羽流是热量的携带者，由于火羽流的密度比空气低，聚集在隧道上部，使得隧道上层的电缆接受更多的热量，所以上层电缆火灾蔓延的速度明显大于底层电缆隧道火灾蔓延的速度。其他3种工况火焰状况基本一致，只有在封堵为3/4时的情况有所不同。封堵3/4时火焰蔓延情况如图6(b)所示，对比可知，在点火源熄灭以前封堵的形态对于火焰蔓延几乎没有影响。在点火源熄灭以后，封堵3/4工况的火焰在580 s熄灭。

2.3 不同封堵情况下隧道顶棚下方温度分布

由于温度变化较大的区域集中在顶棚下方，所以选用300 s和600 s时顶层温度的分布图，观察火源熄灭前后的温度变化。300 s时顶棚5种工况的热电偶温度图如图7(a)所示，可知火源没熄灭时，5种工况的顶棚温度几乎没有区别，最高温度为1030 ℃，在隧道100 m处；最低温度为61 ℃，在隧道端口位置。由于前300 s隧道中有点火源的存在且氧气充足，所以隧道两端的封堵对温度几乎没有影响。600 s时顶棚5种工况的热电偶温度图如图7(b)所示，可知在隧道100 m处，无封堵、封堵1/2、封堵1/4、封堵1/8这4种工况温度几乎相同，最高温度为646℃，封堵3/4的温度为106℃。明显最高温度比300 s时有所降低，封堵3/4时温度降低显著。自隧道100 m处向两侧，温度开始出现分层，封堵比例越大，温度越低。由于隧道的封堵，隧道中燃烧产生的气体与外界空气交换受阻，氧气的流入较少。所以在点火源熄灭之后，封堵比例越大，温度降低越多。

图7 各工况顶棚热电偶温度

2.4 不同封堵情况下隧道内气体浓度分布

由于火焰在封堵3/4工况下580 s后熄灭，所以提取封堵3/4工况的最后20 s的氧气分布图，同时对比无封堵工况最后20 s的氧气分布，如图8所示。

无封堵时隧道内氧气浓度分布如图8(a)所示，可知底层的氧气浓度最大，越往顶层氧气浓度越少。无封堵时隧道内氧气浓度分布如图8(b)所示，可知整个隧道的氧气浓度都处于一个较低值。对比可知，封堵3/4时隧道内氧气浓度远低于无封堵状态，当隧道内的氧气浓度低于某一个临界值时，燃烧反应不能持续，火焰熄灭。

图8 无封堵和封堵3/4时的氧气浓度

无封堵时隧道600 s时的CO浓度分布图如图9(a)所示，可知CO出现一种分层的状态，顶棚CO浓度最高，向底层逐步减少。封堵3/4时隧道600 s时的CO浓度分布图如图9(b)所示，可知CO在隧道中部的浓度十分高，在隧道两端的CO浓度相对较低，但也在较高的水准。封堵1/2时隧道600 s时的CO浓度分布图如图9(c)所示，可知CO浓度较封堵3/4时有所减缓，浓度1.6以上的区域减少。封堵1/4、封堵1/8时隧道600 s时的CO浓度分布图分别如图9(d)和图9(e)所示，可知CO分布出现了一定的分层。通过对比可知，封堵比例越大，CO浓度越高，在两端无封堵时，烟气可以和外界空气进行流通，由于CO密度低，所以只聚集在隧道的顶层；在两端有封堵后，空气交换受阻，隧道内的CO无法排出，而外界的氧气又进入困难，加剧了隧道内的不充分燃烧，所以CO浓度会剧烈增加。

图9 5种工况600 s时CO浓度和分布

2.5 不同封堵情况下火焰蔓延速度

火焰蔓延的速度是决定火灾受灾范围的重要因素。火焰的温度一般在300 ℃～450 ℃，所以模拟以300 ℃以上的区域为火焰存在区域[13]。本次实验在57 s时出现300 ℃以上的温度，所以以57 s为起始，每隔100 s记录大于300 ℃的范围，以此来计算火焰蔓延速度。

无封堵、封堵3/4、封堵1/2、封堵1/4、封堵1/8情况下600 s内不同时段的火焰区域图如图10(a)所示，可知在火源没熄灭之前，5种工况的火焰范围基本一致，唯一的区别是无封堵、封堵1/4、封堵1/8时的火焰区域比封堵3/4、封堵1/2时的略大。在火源熄灭之后，5种工况的火焰范围均有所减小，封堵3/4的情况减小的最大，之后依次是封堵1/2、封堵1/4、封堵1/8，无封堵减小最小。除封堵3/4的情况外，其他工况火蔓延范围在500 s之后趋于稳定。无封堵、封堵3/4、封堵1/2、封堵1/4、封堵1/8情况下600 s内不同时段火焰蔓延速度图如图10(b)所示，可知在300 s之前，5种工况的火焰蔓延速度一样，在300 s后火焰蔓延速度呈现出负增长，300～400 s间负增长较快，400 s后负增长速度放缓。封堵比例越大，蔓延负增长速度越快。由于在前300 s有外加火源状态且氧气充足，所以火焰的蔓延没什么区别，而在点火源熄灭之后，由于封堵的存在，隧道内氧气的补充情况不同，火焰会有熄灭的快慢的不同。

图10 电缆隧道不同封堵情况下火焰蔓延范围和速度

3 结论

(1)在端口无封堵时，烟气在隧道顶部蔓延，没有向下蔓延的趋势。端口施加封堵后，烟气在未覆盖满隧道顶层之前与无封堵情况一致；在覆盖满隧道顶层之后，在端口出向隧道底部蔓延，最终烟气充满整个隧道。封堵比例越大，充满隧道的时间越短。

(2)隧道端部的封堵情况并不影响隧道中心的火焰燃烧状态，且火灾的燃烧范围并不是很大，主要在火源附近。只有在封堵3/4时，300 s后火焰收缩严重，最后在580 s左右熄灭。说明在较大的端口封堵情况下，封堵对抑制火焰蔓延有正面效果。

(3)5种工况下隧道顶层温度都是最高，底层最低。封堵在小面积下对温度的影响较小，只有在封堵3/4时，在火源熄灭后，温度下降较快。推测在封堵比例继续加大的情况下，火焰熄灭的速度会更快，因此可以在电缆隧道发生火灾时先对火灾发生区域进行封闭隔离，一段时间后在让消防人员进入，对残余明火进行扑灭。

(4)在端部没有封堵时，一氧化碳主要分布在隧道顶部，且数量稀少；在端部封堵3/4时，一氧化碳在隧道中部大量聚集，在两端浓度较少，但也远高于未封堵时的一氧化碳浓度；在端部封堵了1/2时，聚集较多一氧化碳的区域有所减少，中间火源处隧道底部较周围有一个低浓度地区；在端部封堵了1/4和1/8情况下，相较于无封堵的情况，在两端口处有一定的一氧化碳的集中。

端口的封堵会导致气体的流通不畅，一氧化碳会聚集。在端口封堵面积较小时，一氧化碳会在断口处聚集，在端口封堵面积较大时，一氧化碳会在隧道中部聚集。